СТРОИТЕЛЬСТВО ТОННЕЛЕЙ СПОСОБОМ ПРОДАВЛИВАНИЯ И ПОД ЗАЩИТОЙ ЭКРАНОВ ИЗ ТРУБ

СПОСОБ ПРОДАВЛИВАНИЯ И ЕГО РАЗНОВИДНОСТИ

Во многих случаях автотранспортные тоннели залегают на небольшой глубине от земной поверхности и проходят в слабых грунтах под существующими зданиями, пересекают железнодорожные и автомобильные магистрали, реки, каналы, насыпи дамбы и т.п.

Для сооружения тоннелей со вскрытием земной поверхности на участке пересечения таких препятствий необходимо создать сложные оградительные крепи. Эти работы нарушают движение транспорта по пересекаемой магистрали, а строительство ведут поэтапно, с переустройством подземных коммуникаций. Иногда открытым способом пересечь преграду практически невозможно. Использование же щитового способа проходки в таких случаях экономически невыгодно из-за сравнительно коротких участков пересечений и сопряжено обычно с осадками поверхности.

В таких условиях может оказаться технически целесообразным и экономически эффективным применить способ продавливания тоннельных конструкций (рис. 4.1). Сущность этого способа состоит в том, что обделку вдавливают в грунт домкратной установкой, расположенной на поверхности земли или в котловане. Домкратная установка остаётся неподвижной на весь период работ. Вперед продвигаются секции обделки с головным звеном, выполненным в виде специальной режущей ножевой конструкции. Под защитой этой конструкции разрабатывают грунт и выдают его по готовой части тоннеля на поверхность земли.

Принципиальная схема продавливания тоннельных секций

Рис. 4.1. Принципиальная схема продавливания тоннельных секций:

1 — головное звено (режущая ножевая конструкция); 2 — секции обделки; 3 — домкратная установка; 4 — забойный (стартовый) котлован; 5 — упор

Форма поперечного сечения сооружаемых таким способом тоннелей может быть любой, хотя чаще бывает круглой или прямоугольной. Секции обделки выполняют из металла или железобетона. Поскольку обделку монтируют не в тоннеле, а в открытой камере, могут быть продавлены цельные секции значительной длины. Секции покрывают снаружи гидроизоляцией, а стыки герметизируют, располагая между торцами секций упругие прокладки-уплотнители. При отсутствии разницы в размерах сечения ножа и секции обделки практически исключается осадка поверхности при сооружении тоннеля под фундаментами зданий и под железнодорожными путями.

Наиболее эффективен метод продавливания в устойчивых связных грунтах — глинах, суглинках, а также в насыпях, сложенных уплотненными несвязными грунтами естественной влажности. В неустойчивых грунтах часто требуется их предварительное закрепление, а в водонасыщенных песках и гравелистых отложениях необходимо выполнить предварительное понижение уровня грунтовых вод.

Сложность работ по продавливанию тоннелей возрастает с увеличением их длины и размеров поперечного сечения. Поэтому такой способ получил широкое распространение прежде всего в области строительства трубопроводов и коллекторных тоннелей небольшого диаметра. Однако постоянное совершенствование технологии работ по продавливанию и возросшая мощность гидравлического оборудования позволяют в настоящее время сооружать все более сложные конструкции, в том числе транспортные тоннели.

Способ продавливания впервые был применен в нашей стране для прокладки трубопроводов и коллекторных тоннелей под различными искусственными и естественными препятствиями. В последние годы этот способ применяют при строительстве пешеходных и транспортных тоннелей в тех случаях, когда применение других способов работ нецелесообразно или практически невозможно.

В нашей стране накоплен значительный опыт продавливания тоннелей различного назначения. В последние годы этим способом построены два автотранспортных тоннеля длиной по 150 м под железной дорогой, а также пешеходные тоннели в районе станций метрополитена «Беговая», «Ботанический сад», «Варшавская» и «Тушинская» в Москве. Обычно продавливают тоннели небольшой длины, однако, как показывает практика строительства, можно продавливать тоннели длиной до 300-400 м и более. Известны случаи продавливания автотранспортных тоннелей прямоугольного поперечного сечения размерами 38x12,5 м и длиной до 2 км. Указанным способом можно вести строительные работы без нарушения движения по пересекаемой магистрали при минимальных осадках дневной поверхности. При этом достигается высокая степень индустриализации работ в результате применения тоннельных элементов заводской готовности. Кроме того, значительно снижается трудоемкость работ и повышаются темпы строительства.

За рубежом (в Великобритании, Германии, Италии, Франции, США, Японии и др.) способ продавливания получил широкое применение при строительстве коллекторных, пешеходных и транспортных тоннелей.

Так, в Германии методом продавливания сооружен автодорожный тоннель длиной 126 м и площадью поперечного сечения 324 м . В Японии под действующей скоростной железнодорожной линией сооружен тоннель из трех железобетонных секций длиной 24,5 м каждая и сечением 27,2x7,4 м.

Технология работ по продавливанию зависит от вида пересекаемого препятствия, длины тоннеля, размеров поперечного сечения обделки и ее конструкции, глубины заложения тоннеля и свойств пересекаемых грунтов.

Наиболее распространена схема продавливания сравнительно коротких секций обделки (1-1,5 м), показанная на рис. 4.2. Сначала разрабатывают котлован размерами, достаточными для размещения секции тоннеля и домкратной установки. У стены котлована, противоположной пересекаемому препятствию, устраивают массивный железобетонный упор, воспринимающий усилие гидравлических цилиндров. На упоре закрепляют домкратную установку, выполненную в виде обоймы гидравлических цилиндров, закрепленных на жесткой металлической раме. Гидроцилиндры на раме размещены равномерно по периметру обделки. В подготовленную таким образом камеру с помощью общестроительного оборудования опускают ножевую часть. Она представляет собой щитовую крепь, оснащённую ножевым устройством, под прикрытием которой разрабатывают грунт. Для обеспечения устойчивости лба забоя ножевую часть оборудуют различными устройствами подобно ножевому кольцу проходческого щита (рассекающими полками, решетками, герметическими перегородками и т.п.). Затем опускают первую секцию обделки и соединяют ее с ножевой частью, образуя ножевую секцию. Соединение ножевой части с первой секцией обделки может быть жестким или податливым. При податливом соединении между ними помещают специальные гидроцилиндры с коротким рабочим ходом для корректировки направления продавливания.

После монтажа ножевой секции включают гидравлические цилиндры и вдавливают ее в грунт через подготовленный в стене котлована проем. Равномерную передачу усилий на обделку осуществляют через нажимную раму. После вдавливания ножевой секции штоки гидроцилиндров возвращают в исходное положение и освобождают место для установки следующей секции. Готовые секции поочередно опускают в камеру и проталкивают в грунт на величину заходки, равную длине секции. При продвижении ножевой части в песчаных грунтах разработку грунта в забое, как правило, не ведут — грунт с площадок выдавливается в лотковую часть. В супесчаных и глинистых грунтах для уменьшения усилия вдавливания грунт по контуру забоя частично разрабатывают ручным или механизированным инструментом. Разработанный грунт вручную или погрузочными машинами грузят на транспортер или в вагонетки и выдают за пределы камеры.

Технологическая схема сооружения тоннеля способом продавливания готовых секций

Рис. 4.2. Технологическая схема сооружения тоннеля способом продавливания готовых секций:

  • 1 — ножевая часть; 2 — гидроцилиндры; 3 — нажимная рама;
  • 4 — рулон стальной ленты; 5 — секция тоннеля; 6 — промежуточная домкратная установка; 7 — готовые секции; 8 — домкратная установка;
  • 9 — железобетонный упор; 10 — вагонетки

По мере продавливания требуются все большие усилия домкрат- ной установки. Поэтому для увеличения длины продавливания принимают специальные меры, снижающие силы сопротивления: нагнетание бентонитового раствора за обделку, покрытие наружной поверхности секций антифрикционными материалами (полимерными пленками, эпоксидными компаундами, техническими маслами и т.д.), протягивание стальных лент в зазоре между обделкой и грунтом. С этой же целью применяют головную ножевую секцию с собственной домкратной установкой или промежуточные домкратные установки.

Из перечисленных мероприятий наиболее существенно увеличить длину продавливания позволяют промежуточные домкратные установки. Каждая такая установка состоит из стальной обоймы и гидроцилиндрами по периметру, форма и размеры которой соответствуют форме и размерам тоннельных секций. На определенном этапе продавливания в камеру вместо очередной секции обделки опускают промежуточную домкратную установку, а за ней — секции второго участка обделки. Далее ведут проходку, поочередно включая гидроцилиндры промежуточной и основной установок. Если сопротивление вдавливанию в забой велико, то промежуточную домкратную установку следует расположить ближе к головной секции (рис. 4.3).

Схема продавливания с помощью агрегатов КМ-35 и КПТ-1 приведена на рис. 4.4. Протяженность участка тоннеля, сооружаемого из одного забоя без применения специальных мер по управлению движением ножевой части и промежуточных домкратных установок, составляет 50 м. Чугунную обделку тоннеля диаметром 6 м собирают в кольца в камере перед домкратной установкой, развивающей усилие 30 000 кН (3000 тс) с ходом гидроцилиндров 1200 мм. В песках естественной влажности с включениями прослоек глин и мелкого гравия скорость продавливания составляет 3 м/сут.

Этапы (I, II, III) продавливания тоннеля с промежуточной домкратной установкой

Рис. 4.3. Этапы (I, II, III) продавливания тоннеля с промежуточной домкратной установкой:

  • 1 — «забойный» котлован; 2 — упор; 3 — основная домкратная установка;
  • 4 — секции обдежи; 5 — ножевая часть; 6 — промежуточная домкратная

установка

В определенных условиях целесообразно применить схему «протаскивания» тоннельных секций тросами, пропущенными через заранее пробуренные вдоль тоннеля горизонтальные скважины (рис. 4.5, а). В одном котловане тросы закрепляют к ножевой части головной секции, а в другом — к специальной траверсе, которую распирают домкратами в упор на откосе котлована. Такая схема позволяет снизить усилия проталкивания со стороны домкратной установки и гарантирует заданное направление тоннеля.

Более эффективной является схема встречного продавливания длинных секций, исключающая устройство в котлованах специальных упоров (рис. 4.5, б). По этой схеме одну из секций оборудуют домкратной установкой у ножевого кольца. Эта установка с помощью тросов, пропущенных в горизонтальных скважинах, тянет «на себя» секцию, находящуюся в противоположном от насыпи котловане.

Для увеличения дальности продавливания тоннелей больших сечений разработана схема телескопического продавливания. По этой схеме вначале продавливают секции увеличенного сечения, размеры которого в свету несколько превышают проектные наружные размеры сечения тоннеля. Затем через них проталкивают, а далее на оставшемся участке трассы продавливают секции, сечение которых соответствует проектным размерам тоннеля.

Схема продавливания пешеходного тоннеля

Рис. 4.4. Схема продавливания пешеходного тоннеля:

  • 1 — ножевая секция; 2 — горизонтальные полки; 3 — продавливаемая обделка; 4 — контактный провод; 5 — кран; 6 — секции обделки;
  • 7 — распределительная рама; 8 — домкратная установка; 9 — опорная стена;
  • 10 — забойный котлован

Принцип продавливания находит применение для создания временной ограждающей крепи при сооружении тоннелей в сложных условиях. Для этого вначале по всему контуру будущего тоннеля или только в его верхней части продавливают стальные или железобетонные трубы или пустотелые балки. Затем их заполняют бетоном. Под защитой такого ограждения разрабатывают грунт на полное сечение и возводят обделку. Элементы ограждения можно также продавливать из вспомогательных выработок в поперечном к оси тоннеля направлении.

Схема «протаскивания» тоннеля при помощи канатов

Рис. 4.5. Схема «протаскивания» тоннеля при помощи канатов: а — с одной стороны; б — с двух сторон; 1 — кран; 2 — тоннельная секция;

  • 3 — скважина; 4 — канат; 5 — упор; 6 — траверса; 7 — домкрат;
  • 8 — направление продавливания; 9 — ножевая часть

Новая разновидность способа продавливания — сооружение тоннелей небольшой длины (10-15 м) под насыпями продавливанием отдельных сегментов обделки. По этой схеме несущую конструкцию тоннеля создают, задавливая в грунт стальные или железобетонные элементы коробчатого сечения, заполняя их впоследствии бетоном. Изменяя сечение и форму коробов, можно создавать тоннели различного очертания и размеров.

В последние годы наряду с продавливанием отдельных сравнительно коротких тоннельных элементов применяют продавливание крупных тоннельных секций длиной до 10-15 ми более и массой порядка 20СМ-00 т. Крупногабаритные секции можно продавливать с одной или с обеих сторон насыпи навстречу одна другой.

В этом случае секции изготавливают непосредственно рядом с насыпью в створе тоннеля на заранее устроенном основании. Последнее выполняют в виде мощной железобетонной плиты, заанкеренной в грунт для восприятия реактивных усилий, возникающих при про- давливании и имеющей в торце упор для гидравлических домкратов.

Учитывая большую массу таких секций, домкраты упирают только в днище.

Оснащенные ножом тоннельные секции продавливают в тело насыпи за один прием. Поскольку ход домкратов значительно меньше длины продавливания, для передачи усилий на секцию используют металлические балки.

Продавливание крупных тоннельных секций производили, например при строительстве двухполосного автотранспортного тоннеля под станционными железнодорожными путями. Две секции прямоугольного поперечного сечения шириной 8,3, высотой 3,7 и длиной 21,8 и 18,7 м имели массу порядка 500 т каждая (рис. 4.6, а). Конструкции их выполнены из монолитного железобетона с толщиной стен, лотка и перекрытия 45,7 см.

Продавливание вели на глубине 0,9 м от уровня головки рельсов двенадцатью домкратами, развивающими общее усилие 12 000 кН. Во время продавливания одной секции железнодорожное движение по двум ближайшим путям переносили на дальние пути, с ограничением скорости движения поездов. В процессе продавливания за каждую секцию нагнетали бентонитовую суспензию для уменьшения сил трения. Была достигнута высокая точность продавливания секций.

Три железобетонные секции прямоугольного поперечного сечения шириной 9,3, высотой 6,9 и длиной 10,8, 16,5 и 18 м продавили в месте устройства транспортной развязки (рис. 4.6, б).

Продавливание крупных секций позволяет получить высококачественную конструкцию тоннеля с минимальным количеством швов, значительно сократить сроки строительства, избежать устройства «забойных» котлованов.

Схема продавливания крупногабаритных тоннельных секций под железной (а) и автомобильной (б) дорогами

Рис. 4.6. Схема продавливания крупногабаритных тоннельных секций под железной (а) и автомобильной (б) дорогами: 1 — секции тоннеля;

  • 2 — ножевая часть; 3 — упор; 4 — домкраты; 5 — фундаментная плита;
  • 6 — шпунт; 7 — участок замоноличивания; 8 — грунтовые анкеры

Необходимое усилие продавливания Р, которое должна развивать домкратная установка, определяют из условия преодоления сопротивления трению по наружной поверхности тоннельных секций и лобового сопротивления вдавливанию ножевой части в грунт:

где кн — коэффициент надежности, принимаемый равным 1,2;

pnq — давление грунта соответственно вертикальное и боковое;

В и Н— соответственно ширина и высота прямоугольной тоннельной секции (для секций кругового сечения диаметром D вместо В и Н следует подставлять D);

g — вес 1 м длины тоннеля;

L — максимальная длина продавливания;

р — коэффициент трения между грунтом и тоннельными секциями;

П — периметр ножевой части;

s — удельное усилие врезания ножевой части на 1 м длины его периметра (определяется по данным экспериментов).

 
Посмотреть оригинал